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铀氢锆脉冲反应堆物理与安全分析,核反应堆简介

本书可供反应堆研究、设计、运行、管理等从业人员参考,也可作为高等院校相关专业研究生教材。

超临界水冷堆

  该专题研究由光绪帝遗物发辫入手,历时五年,利用微堆中子活化分析技术测试了发辫中砷的含量,并结合其他技术手段,经科学研究分析测算表明光绪的头发截段和衣物上含有剧毒砒霜,而其腐败尸体仅沾染在部分衣物和头发上的砒霜总量就已高达约201毫克。

反应堆按用途一般分为动力堆、生产堆和研究堆。动力堆主要用于舰船、航天器、飞行器等的推进或用于工农业生产的发电、供热等,最常见的是核电站反应堆。生产堆主要用于生产放射性同位素或易裂变核材料。研究堆则主要用于和反应堆有关的实验研究或利用核反应堆产生的中子、伽马射线开展的科学研究。研究堆的用途非常广泛,涉及原子核物理、生命科学、材料科学、探测化学、生物学、食品制造技术、农业、刑事侦破、材料辐照改性、核天文学、核考古学、核医学和同位素生产等诸多方面的试验研究。由于研究堆的重要地位,其在各种类型的反应堆中占了大多数。值得指出的是,研究堆和生产堆并没有明显的界限,只是人为的分类方法,研究堆也可用于同位素和易裂变材料生产,生产堆配合必要的实验设备,同样可以开展多种科学研究。

我们可以利用的唯一一块奥克罗矿石碎块仅有1毫米厚、4毫米宽,我们把这种技术应用到碎块上的许多微小斑点之上。当然,我们首先需要决定将激光束聚焦到什么位置。在这方面,我和霍恩贝格得到了同事奥尔加·普拉夫迪夫切娃(Olga
Pravdivtseva)的鼎力相助,她为我们的样本拍摄了一张详尽的X射线照片,识别出了候选的矿物。每次萃取之后,我们都会将得到的气体提纯,然后把氙气放入霍恩贝格的质谱仪中,仪器会显示出每一种同位素的原子数目。

  光绪死因的确证,被认为是运用现代科学技术和侦察思维解决历史疑难问题的成功尝试,开辟了学术文化研究的新路径。

本文摘编自陈伟
《铀氢锆脉冲反应堆物理与安全分析》一书,有删改。

1942年12月2日曼哈顿计划期间,费米的研究组人员全体集合在美国芝加哥大学Stagger
Field
的一个巨大石墨型反应堆前面。这时由费米发出信号,紧接着从那座埋没在石墨之间的7吨铀燃料构成的巨大反应堆里,控制棒缓慢地被拔了出来,随着计数器发出了咔嚓咔嚓的响声,到控制棒上升到一定程度,计数器的声音响成了一片,这说明连锁反应开始了。这是人类第一次释放并控制了原子能的时刻,这个反应堆被命名为“芝加哥一号堆”(Chicago
Pile-1)。

  开展微堆燃料低浓化工作,既符合我国核不扩散的国际政策,也能更有效地防止核扩散,并能在国内外推广微堆方面起到积极作用。

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理论研究

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陈伟 等 著

冷却剂

  深圳微堆建成后,利用中子活化法填补了深圳微量元素质检方面的某些空白。

责任编辑:宋无汗 杨丹 崔慧娴

最终,研究人员在奥克罗和邻近的奥克罗班多地区的铀矿中,确定了16个相互分离的区域——20亿年前,那里的真实环境,居然与黑田和夫描绘的大致情况惊人地相似。尽管这些区域早在几十年前就被全部辨认出来,但是远古核反应堆运转过程的种种细节,直到才被我和同事彻底揭开。

  2013年,经国际原子能机构(IAEA)、美国能源部(DOE)、加纳和中国协商一致,由中国牵头承担对加纳微堆进行低浓化燃料改造。自2015年签署正式合同开始,中国原子能科学研究院就开始了加纳微堆的低浓化改造工作。

原标题:铀氢锆脉冲反应堆物理与安全分析

在搞清了观测到的氙同位素在磷酸铝中产生的基本过程之后,我和我的同事们试图从数学上为这个过程建立一个模型。这个计算揭示了有关反应堆运转时间的更多信息,所有的氙同位素都提供了大致相同的答案。我们研究的那个奥克罗反应堆每次“开启”30分钟,然后再“关闭”至少2.5小时。这样的模式犹如我们所看到的一些间歇泉,先是缓慢地加热,然后在一场壮观的喷发中将积蓄的地下水统统蒸腾而出,接着再重新蓄水,开始新一轮循环,日复一日、年复一年地持续下去。这种相似性支持了这样的观点:流经奥克罗矿脉的地下水不仅充当着中子慢化剂的角色,还不时会被蒸发殆尽,形成保护这些天然反应堆不至于自我摧毁的调节机制。在这方面,这种调节机制十分有效,数十万年间没有发生一次熔毁或爆炸事件。

  2008年,“长相”精致的微堆曾经展示大“威力”,它与央视、清西陵及北京市法医检验鉴定中心等共同揭开了困扰史学界的百年谜案——清光绪帝之死因。

1990年,中国核动力研究设计院自主研发并建成了铀氢锆原型脉冲反应堆。1999年,我国第一座实用化多功能的铀氢锆脉冲反应堆(西安脉冲反应堆)在西北核技术研究所成功实现临界,之后在核科学技术研究和应用中发挥了重要作用,成为我国研究堆发展历史上一个新的里程碑。

反应堆的类型很多,但它主要由活性区,反射层,外压力壳和屏蔽层组成。活性区又由核燃料,慢化剂,冷却剂和控制棒等组成。当前用于原子能发电站的反应堆中,压水堆是最具竞争力的堆型(约占61%),沸水堆占一定比例(约占24%),重水堆用的较少(约占5%)。压水堆的主要特点是:

  因为不会对样品产生破坏,原子能院曾协助有关单位,对膳食中的元素含量进行过多次调查研究及卫生学评价。

铀氢锆脉冲反应堆是以铀氢锆为燃料的水池式研究反应堆,具有瞬发负温度反应性系数大、放射性裂变产物包容能力强、堆芯非能动冷却等特点,固有安全性很高,能以稳态、脉冲和方波等多种方式运行,在科学研究和国民经济中有着广泛的应用。

我们的突破点在于,我们意识到奥克罗样品中不同的氙同位素产生于不同的时期,它们所遵循的时间表由它们的母元素碘和再上一代的元素碲的半衰期所决定。某种特定的放射性前体(precursor,即一系列反应过程的中间产物)存在的时间越长,它们形成氙的过程就被拖延得越久。例如,在奥克罗的自持裂变反应开始后,氙136仅过了大约1分钟就开始生成;一个小时后,稍轻一些的稳定同位素氙134出现;接下来,在裂变开始的若干天后,氙132和氙131登场亮相;最终,几百万年之后,氙129才得以形成——此时,核链式反应早已停止很久了。

  协助加纳实现微堆低浓化改造是我国政府落实第四届核安全峰会上习近平总书记提出的“五大倡议”及《中美联合声明》重要行动之一。中核集团总工程师雷增光表示,中核集团高度重视加纳微堆低浓化项目,希望通过加强国际间紧密合作尽早完成项目。未来,中核集团将会为促进更广泛的和平利用核能贡献更大的力量。

铀氢锆脉冲反应堆具有特殊的氢化锆中氢的热化模型、众多的水平和垂直实验孔道、复杂的堆芯功率和温度场分布等特点,因此在反应堆堆芯物理和热工水力研究、反应堆安全分析中具有与其他反应堆不同的特点。我们在我国第一座实用化多功能的铀氢锆脉冲反应堆——西安脉冲反应堆的安全运行和应用实践中,进行了大量的反应堆物理、热工水力和事故分析研究,积累了一定的理论与实践经验,取得了一些创新性的研究成果,不仅对从事研究堆设计的科研人员具有较好的参考价值,也为新加入该领域的研究人员了解铀氢锆脉冲反应堆的特性提供了必备的基础知识。为了促进铀氢锆脉冲反应堆理论研究的发展和交流,我们把最近二十多年的相关研究成果总结出版,供国内同行借鉴参考。

来自反应堆的γ射线强度很高,被屏蔽体吸收后会发热,因此紧靠反应堆的γ射线屏蔽层中常设有冷却水管。某些反应堆堆芯和压力壳之间设有热屏蔽,以减少中子引起压力壳的辐照损伤和射线引起压力壳发热。

  因为具有小型化、易操作、功率低、固有安全性好等优点,在大中城市人口稠密的大学和研究机构内,不乏微堆身影。

(本期编辑:王芳)

原理

  原子能院的原型微堆的每一根燃料元件的直径仅有5毫米,换言之只有约5张纸的厚度,每两根元件间隙只有5.48毫米,这些燃料元件被放置在实验用的“鸟笼架”内。“鸟笼架”是直径240毫米、高270毫米的狭小空间,也就是该堆的堆芯。

本书概括了铀氢锆脉冲反应堆物理和安全分析方面的基础理论和最新进展,介绍了研究堆和铀氢锆脉冲反应堆发展的历史和应用概况、脉冲堆结构、栅元计算、堆芯物理分析、热工水力分析、动态特性分析、孔道屏蔽、事故与安全分析等内容。本书特别强调物理模型的深入分析和数学计算的准确描述,同时穿插了丰富的图表和大量的计算公式。

核反应堆

图片 2清光绪帝衣物

1942年12月2日,费米在美国芝加哥大学建造了人类历史上第一座反应堆,成功实现了受控链式裂变反应,这一事件标志着人类进入了一个崭新的核纪元。反应堆最初的用途是生产核武器所用的钚材料。随着人类对核能认识的不断深入和工业技术的进步,核反应堆在军事和民用领域得到了更加广泛的应用。目前,世界上投入使用的各类型反应堆达数千座,在能源、科学研究、工农业生产、核医学等领域发挥着重要作用。

冷却剂

  中国目前是世界上唯一完全掌握微堆研究建造技术的国家。微堆不像传统的核反应堆,它没有散热塔,也没有高耸的烟囱,堆芯只有高压锅大小。在业内,微堆也被称“傻瓜堆”,因为它类似一个实验仪器,操作简单,但用途不少,能进行中子活化分析、核仪器探头的考验、教学及培训、少量同位素生产等。

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2002年9月19日至20日在东京召开的GIF(第四代核能系统国际论坛Generation
IV International
Forum,GIF)会议上,与会的10个国家在94个概念堆的基础上,一致同意开发以下六种第四代核电站概念堆系统。

  微堆具体能用来干啥?

北京:科学出版社,2018.6

中文名

图片 4图为原子能院研究人员在控制台前进行零功率实验操作。

《铀氢锆脉冲反应堆物理与安全分析》主要介绍铀氢锆脉冲反应堆物理与安全分析。全书共9章,内容包括绪论、结构与系统组成、栅元热化和共振处理、堆芯物理参数计算方法、热工水力分析、脉冲动态特性分析、堆芯燃料管理、实验孔道屏蔽计算方法以及事故安全分析等。

熔盐反应堆(molten salt
reactor,MSR)系统是超热中子谱堆,燃料是钠、锆和氟化铀的循环液体混合物。熔盐燃料流过堆芯石墨通道,产生超热中子谱。MSR系统的液体燃料不需要制造燃料元件,并允许添加钚这样的锕系元素。锕系元素和大多数裂变产物在液态冷却剂中会形成氟化物。熔融的氟盐具有很好的传热特性,可降低对压力容器和管道的压力。参考电站的功率水平为1000兆瓦,冷却剂出口温度700~800℃,热效率高。

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ISBN 978-7-03-057731-3

另外,核反应堆根据燃料类型分为天然铀堆、浓缩铀堆、钍堆;根据中子能量分为快中子堆和热中子堆;根据冷却剂(载热剂)材料分为水冷堆、气冷堆、有机液冷堆、液态金属冷堆;根据慢化剂分
为石墨堆、水冷堆、有机堆、熔盐堆、钠冷堆;根据中子通量分为高通量堆和一般能量堆;根据热工状态分为沸腾堆、非沸腾堆、压水堆;根据运行方式分为脉冲堆和稳态堆,等等。核反应堆概念上可有900多种设计,但现实上非常有限。

  2011年底,中国国家原子能机构批准中国原子能科学研究院与美国能源部阿贡实验室合作,对原子能院微堆进行低浓化改造,卸出微堆高浓铀堆芯,装入低浓铀燃料堆芯。

责任编辑:

核反应堆是核电站的心脏[1],它的工作原理是这样的:

  “微堆低浓化后应用更为广泛,比如可应用到与百姓关系更加密切的治疗癌症的医疗装置中。”中国工程院院士周永茂如此预测微堆前景。

铀氢锆脉冲反应堆物理与安全分析

铀矿

图片 6清光绪帝头发As的分析

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按照冷却方式分类

  我国的微堆研究建造可追溯到上世纪70年代末、80年代初。经过多种物理设计方案的理论计算和零功率实验验证,1984年3月,原子能院自主开发设计建造的我国第一座微堆顺利建成并投入满功率运行。

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6主要特点

  2014年年3月4日,中国原子能科学研究院在微型反应堆临界装置上开展低浓铀净堆首次临界实验,并安全达到临界,这标志着微堆燃料富集度从原先的90%降至12.5%是成功的,微堆低浓化工作由此进入全面实施阶段。

由于铀氢锆脉冲反应堆采用特殊核燃料、紧凑堆芯结构、众多实验孔道和实验装置,其堆芯物理和安全分析与压水堆及其他研究堆相比有许多自己的特点,西北核技术研究所在西安脉冲反应堆建设、运行、应用的二十多年科研实践中积累了丰富的经验,在铀氢锆中子热化模型、栅元计算、堆芯物理、热工水力等方面取得了一系列创新性、系统性的科研成果。该书正是我国铀氢锆脉冲反应堆研究工作者长期研究成果的总结和拓展,涵盖了铀氢锆脉冲反应堆的主要结构、控制、物理、热工水力、动态特性、屏蔽设计与事故安全分析等内容,填补了国内相关领域研究的空白。

▪冷却剂

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【嵌牛导读】:核反应堆[1],又称为原子能反应堆或反应堆,是能维持可控自持链式核裂变反应,以实现核能利用的装置。核反应堆通过合理布置核燃料,使得在无需补加中子源的条件下能在其中发生自持链式核裂变过程。严格来说,反应堆这一术语应覆盖裂变堆、聚变堆、裂变聚变混合堆,但一般情况下仅指裂变堆。

  微堆离我们的生活并不远。微堆是一种小型、低功率、固有安全性好、容易操作的反应堆装置,可以建设在大中城市人口稠密的大学、科研单位等,能够广泛应用于中子活化分析、放射性同位素制备、教学培训、反应堆物理实验及仪器考验。

熔盐堆系

  

奥克罗的铀异常情况被发现之后不久,物理学家就确定,天然的裂变反应导致了铀235的损耗。一个重原子核一分为二时,会产生较轻的新元素。找到这些元素,就等于找到了核裂变确凿无疑的证据。事实证明,这些分裂产物的含量如此之高,因此除了核链式反应以外,不可能存在其他任何解释。这场链式反应很像1942年恩里科·费米(Enrico
Fermi)及其同事所做的那场著名演示(当时他们建成了世界上第一座可控原子核裂变链反应堆),反应全靠自己的力量维持运转,只是时间上提早了20亿年。

  延伸阅读:

7应用领域

  中核集团董事长孙勤认为,首座微堆低浓化后首次满功率运行意味着原子能院已完全掌握了微堆低浓化的全套技术。

核电站的乏燃料[8]在几百年内都是有毒的,并且到目前为止,世界上没有能安全、永久地存储它们的设施。

  “最难的是堆芯设计。”李义国说,“由于低浓铀堆芯的燃料芯体和包壳材料与之前的不同,其热工、物理性能等也均有较大不同,须重新进行物理、热工和结构设计,且只能在原有小尺寸的堆芯空间内做出合理调整,设计难度大大增加。”

目录

  今年3月,经过5年攻关,该研究院成功对中国首座微堆——原型微堆实施了低浓化改造,并实现首次满功率运行。这是继核安保示范中心建成运行后,我国在核安保领域取得的又一重要成绩,也是中美核安保合作的重大成果,被写入《中美核安全合作联合声明》。

⑥用于推进船舶、飞机、火箭等到的核反应堆,称为动力堆。

图片 10瑞士洛桑的一座实验型微堆

如果奥克罗矿脉一直处于封闭状态,那么在它的天然反应堆运转期间积聚起来的氙气,就会保持核裂变所产生的正常同位素比例,并一直保存至今。但是,科学家没有理由认为,这个系统会是封闭的。实际上,有充分的原因让人猜想,它不是封闭的。奥克罗反应堆可以通过某种方式自行调节核反应,这个简单的事实提供了间接的证据。最可能的调节机制与地下水的活动有关:当温度达到某个临界点时,水会被煮沸蒸发掉。水在核链式反应中起到了中子慢化剂的作用,如果水不见了,核链式反应就会暂时停止。只有当温度下降,足够的地下水再次渗入之后,反应区域才会继续开始发生裂变。

图片 113月26日,我国首座微堆圆满完成低浓化改造,实现首次满功率运行

主要构成物质

  微堆低浓化改造涉及堆芯物理设计、结构设计、燃料组件设计制造、装卸料、乏燃料管理、反应堆实验调试等诸多环节。改造过程中,工程技术人员攻克了一批关键技术,确保了微堆的核安全。

组成结构

  当时,随着珠三角现代工农业的迅猛发展,大量人工合成有机化合物被引入到自然环境中,包括一系列有机卤素污染物,这些卤素污染物有致癌、致畸、致突变的风险。借助微堆,深圳较早就对本市的大气和土壤环境进行检测,实时掌握深圳大气和土壤中的污染程度,并及时采取措施。

主要特点

  中国掌握微堆低浓化的全套技术

在奥克罗反应堆运转的每个活跃期和随后温度仍然很高的一段时间里,大量的氙气(包括形成速度相对较快的氙136和氙134)会被赶走。等到反应堆冷却时,半衰期更长的氙前体(也就是最后会产生含量比较丰富的氙132、氙131和氙129的放射性前体)则会优先与正在形成的磷酸铝颗粒结合起来。随着更多的水回到反应区域,中子被适当地慢化,裂变反应再度恢复,使这种加热和冷却的循环周而复始地重复下去。由此产生的结果,就是我们所观察到的、奇特的氙同位素构成比例。

  微堆低浓化改造,是降低高浓铀流失风险、提升核安保水平的有力举措,也是中美核安保领域合作的重要内容。国家原子能机构将本着自愿、务实的原则,与其他国家分享低浓化改造技术经验,协商开展类似改造项目,全面提升全球核安保水平。

2理论研究

  据介绍,该堆的主要用途包括中子活化分析、核仪器探头的考验、教学及培训、少量同位素生产等。改造后的微堆固有安全性更高,一次装料可运行30年。

氢元素提供证据

  “过去,我们微堆使用武器级的高浓铀作为燃料。燃料棒一旦流失,就可能造成核材料扩散的威胁。”李义国解释,由于所用燃料的特殊性,微堆在推广中一直受到限制。

核反应堆内部

  此后,该院为国内外用户设计和建造了9座商用微堆,其中5座出口到了巴基斯坦、伊朗、加纳、叙利亚、尼日利亚,加纳微堆于1995年建成。这些微堆已累计安全运行超过100堆·年,为国家创造了巨大的经济效益。

编辑

  7月27日,来自国际原子能机构、中国国家原子能机构、美国能源部、加纳原子能委员会的官员以及尼日利亚、叙利亚、巴基斯坦和泰国等国专家共同见证实验临界成功。

1历史沿革

  “从1984年至今,我们利用微堆分析的样品多种多样,上至天文、下至地理,涉及地质学、地球化学、生命科学等众多学科。”原子能院微堆室主任李义国说,分析结果为不少研究提供了科学依据。

由主循环泵驱动,在一回路中循环[7],从堆芯带走热量并传给二回路中的工质,使蒸汽发生器产生高温高压蒸

  受国际大环境等多因素影响,国际原子能机构(IAEA)多次提出,希望微堆燃料实施低浓铀转化。

慢化剂

  多年前,原子能院高级工程师王珂就和团队分析测定了我国南北方78例正常成年人甲状腺含量,发现有地区差异,女性略高于男性,这为评价碘对人体的健康影响提供了背景材料。

编辑

  据科学网报道,7月27日上午,加纳微堆(微型中子源反应堆)低浓铀堆芯在中国原子能科学研究院(简称原子能院)成功实现零功率实验首次临界。这是中国承担的加纳微堆低浓化改造项目中一个重要的里程碑节点,标志着该项目中方负责的所有技术准备工作均已完成,项目的关键步骤已经取得成功。

铀的开采和提纯并不是非常清洁的过程。

  加纳微堆是中国原子能科学研究院于1995年通过国际原子能机构技术合作项目为加纳设计、建造的该国第一座研究堆,采用高浓铀为燃料,其建成为加纳核技术人员的培训等工作发挥了积极作用。

可控自持链式核裂变反应

  在改革开放前沿深圳,原子能院帮助深圳大学设计建造的微堆已安全运行28年,这也是目前我国尚在运行的唯一商用微堆。与原子能院的原型微堆相比,二者的差别是堆芯尺寸、燃料元件尺寸。

控制棒

  该实验首次临界的成功,是践行中国政府对加纳微堆低浓化改造项目的承诺,体现了各国在核不扩散领域积极开展国际间合作的精神。“加纳模式”也将为后续微堆低浓化以及核不扩散国际间合作提供重要的经验。

非正常运行的核电站能够带来大问题。切尔诺贝利灾难是最近的一个例子;2011年3月12日,地震导致日本福岛县第一和第二核电站发生核泄漏。

  “微堆低浓化目的是在不改变堆芯几何尺寸的前提下,将高浓铀堆芯燃料替换为低浓铀堆芯燃料。”原子能院堆工部主任杨红义介绍,转化后还需利用原有筒体装料运行。

1972年5月,法国一座核燃料处理厂的一名工人

  同时,这也是继我国在今年3月完成首座微堆高浓缩铀低浓化改造、实现满功率运行后,在践行国际承诺、推广减少高浓铀合作模式层面取得的又一项重大进展,也是中国为世界反核恐怖主义、加强国际核安保作出的实实在在的贡献。

冷堆系统

还需要说明的是,铀矿石不能直接做核燃料。铀矿石要经过精选、碾碎、酸浸、浓缩等程序,制成有一定铀含量、一定几何形状的铀棒或者球状燃料才能参与反应堆工作。

超高温气冷堆(very high temperature
reactor,VHTR)系统是一次通过式铀燃料循环的石墨慢化氦冷堆。该反应堆堆芯可以是棱柱块状堆芯(如日本的高温工程试验反应器HTTR),也可以是球床堆芯(如中国的高温气冷试验堆HTR-10)。

1938年,德国人奥托·哈恩和休特洛斯二人成功地使中子和铀原子发生了碰撞。这项实验有着非常重大的意义,它不仅使铀原子简单地发生了分裂,而且裂变后总的质量减少,同时放出能量。尤其重要的是铀原子裂变时,除裂变碎片之外还射出2至3个中子,这个中子又可以引起下一个铀原子的裂变,从而发生连锁反应。

截面小。好的控制棒材料(如镉、银、铟等)在吸收中子后产生的新同位素仍具有大的热中子吸收截面,因而使用寿命很长。核电站常用的控制棒材料有硼钢、银-铟-镉合金等。其中含硼材料因资源丰富、价格低,应用较广,但它容易产生辐照脆化和尺寸变化(肿胀)。银-铟-镉合金热中子吸收截面大,是轻水堆的主要控制材料。压水堆中采用棒束控制,控制材料制成棒状,每个棒束由24根控制棒组成,均匀分布在17×17的燃料组件间。核电站通过专门驱动机构调节控制棒插入燃料组件的深度,以控制反应堆的反应性,紧急情况下则利用控制棒停堆(这时,控制棒材料大量吸收热中子,使自持链式反应无法维持而中止)。

屏蔽层

1979年3月,美国三里岛原子能发电站由于操作错误和设备失灵,造成了原子能开发史上空前未有的严重事故。然而,由于反应堆的停堆系统、应急冷却系统和安全壳等安全措施发挥了作用,结果放射性外逸量微乎其微,人和环境没有受到什么影响,充分说明现代科技的发展已能保证原子能的安全利用。

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